JP4701539B2

JP4701539B2 - 糖液の精製装置

Info

Publication number: JP4701539B2
Application number: JP2001151171A
Authority: JP
Inventors: 恒康安達
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2021-05-21
Also published as: JP2002336000A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デンプン糖化液からブドウ糖を高度に回収するための精製装置として好適な糖液の精製装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ブドウ糖或いはその異性化糖は、次のような工程を経て製造されている。
【０００３】
まず、原料デンプン（コーンスターチなど）が酵素液化工程、酵素糖化工程を経て、下記組成及び粘度のブドウ糖溶液（デンプン糖化液）が製造される。
［デンプン糖化液組成及び粘度］
ブドウ糖：３３％
脂肪酸：０．２％
タンパク質：０．１％
その他の不溶物：０．１％
粘度（６０℃）：１．０ｃｐ
【０００４】
このように酵素糖化工程からのデンプン糖化液は、原料由来の不純物や原料の液化、糖化工程で混入する塩類等の不純物を多く含む粗製品であるため、これらを除去して精製する必要がある。従来、このデンプン糖化液の精製には、まず、濾過工程で不純物を分離してブドウ糖を回収することが行われている。従来、この濾過工程では、珪藻土のプレコートフィルターを用いる珪藻土濾過法が採用されている。この方法では、デンプン糖化液中の不純物を珪藻土上に残し、透過液側にブドウ糖液を回収する。
【０００５】
この濾過工程を経て精製されたブドウ糖液は、次いで活性炭による脱色処理、イオン交換樹脂による脱塩処理を経て更に精製され、その後、精製ブドウ糖液を得るためには濃縮処理され、精製異性化糖液を得るためには異性化工程、脱塩工程及び除菌のための膜濾過工程を経た後、濃縮処理される。
【０００６】
しかし、珪藻土濾過法によりデンプン糖化液を濾過する従来の方法では、大量の珪藻土を使用する必要があり、しかも分離した不純物を含む珪藻土のスラッジが大量に排出される。このスラッジは珪藻土を含むため焼却処理することができず、産業廃棄物として投棄処分するため、処分場の問題がある。
【０００７】
この珪藻土濾過法の問題を解決するものとして、限外濾過（ＵＦ）膜又は精密濾過（ＭＦ）膜を用いた膜濾過法が提案されている。膜濾過法によるデンプン糖化液からのブドウ糖の回収は、デンプン糖化液の濾過、濃縮（ブドウ糖の透過と不純物の濃縮）とダイアフィルトレーション（加水処理による、濃縮液側に残ったブドウ糖の透過液側への回収）とによって行われる。即ち、まず、デンプン糖化液を膜濾過処理してブドウ糖を透過液側に回収すると共に不純物を濃縮し、不純物の濃縮がある程度進んだ後に、濃縮液側に水を徐々に添加（加水処理）しながら膜濾過を続けるダイアフィルトレーションと称される操作を行うことで濃縮液側に残留するブドウ糖の透過液側への回収を促進する。
【０００８】
この方法であれば、珪藻土を使用しないため、珪藻土の費用削減に加えて、産業廃棄物の大幅な削減が可能となる。また、濾過残渣は有機物のみから構成されるため、これを生物処理により廃液処理することができ、肥料や家畜用飼料としての有効利用も可能になる。
【０００９】
しかも、膜濾過法であれば、珪藻土濾過法では除去し得ない色度成分を除去することができるという利点もある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、膜濾過法の適用で、色度成分をある程度除去することはできるが、十分ではなく、その後段で脱色処理を行うことが必要である。従来において、この脱色処理には、活性炭による処理が行われているが、活性炭による処理では製品規格値以下まで色素成分を除去することはできないため、その後段のイオン交換樹脂で残留する色素成分を除去する必要がある。このため、活性炭処理の後段の脱塩処理で用いるイオン交換樹脂には、脱塩だけではなく、活性炭処理でなお残留する色素成分の除去も行う必要がある。
【００１１】
脱塩だけの目的であれば、弱酸性イオン交換樹脂と弱塩基性イオン交換樹脂の２床段方式で十分な脱塩処理効果を得ることができるが、従来法では、活性炭では除去し得ず、また、このような２床段方式でも除去し得ない色度成分を製品規格値以下にまで除去するために、強酸性イオン交換樹脂塔と弱塩基性イオン交換樹脂塔の後段に、更に強酸性イオン交換樹脂と強塩基性イオン交換樹脂の混床塔を設け、３段方式でイオン交換処理を行う必要があった。
【００１２】
このため、従来法では脱塩処理工程の装置設備が大型化し、また、イオン交換樹脂の再生や交換に多大な費用と手間を要するという問題点があった。
【００１３】
一方、イオン交換樹脂のような薬品による再生処理を必要とせず、完全な連続採水が可能な脱塩装置として、電気再生型脱イオン装置が提供されているが、従来法では、活性炭処理後の脱塩工程において、脱塩のみならず、色度成分の除去を必要とすることから、この脱塩手段として電気再生型脱イオン装置を適用できないという不具合もあった。
【００１４】
また、このような脱塩手段の長寿命化、再生等のメンテナンスの軽減のためには、脱塩手段の負荷を軽減し、脱塩手段の汚染を防止することが望まれるが、従来法では、脱塩手段の前段での不純物除去が十分でないために、脱塩手段の負荷が大きいという問題もあった。
【００１５】
本発明は上記従来の問題点を解決し、不純物を含有する糖液を膜濾過した後、脱色し、その後脱塩処理することにより精製する装置であって、脱塩手段の前段で色度成分やその他の不純物を高度に除去することができ、従って、その後段の脱塩手段の負荷を軽減して、脱塩手段の小型化ないし多様化、更には長寿命化を図ることができる糖液の精製装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の糖液の精製装置は、不純物を含有する糖液を膜濾過する膜濾過手段と、該膜濾過手段の透過液を脱色する色素吸着手段と、該色素吸着手段の処理液を脱塩する脱塩手段とを備えてなる糖液の精製装置において、前記色素吸着手段が、繊維に粉末活性炭と塩基性イオン交換樹脂を固定した吸着剤を用いた色素吸着手段であることを特徴とする。
【００１７】
膜濾過により予め色素成分の一部が除去された糖液を、繊維に粉末活性炭と塩基性イオン交換樹脂を固定した吸着剤で処理することにより、残留する色度成分を高度に吸着除去して、製品規格値以下まで低減することができる。しかも、繊維に粉末活性炭と塩基性イオン交換樹脂を固定した吸着剤は、糖液通液時の圧力損失も極めて少なく、効率的な脱色処理を行える上に、蛋白質等の高分子物質をも効率的に除去することができるため、後段の脱塩手段の負荷を低減し、長寿命化を図ることができる。
【００１８】
本発明では、このような色素吸着手段で色度成分を高度に除去できるため、その後の脱塩手段では、脱塩のみを行えば良く、色度成分の除去機能は不要となることから、酸性イオン交換樹脂と塩基性イオン交換樹脂の２床段方式又は混床式、好ましくは強塩基性イオン交換樹脂と弱塩基性イオン交換樹脂の２床段方式又は強酸性イオン交換樹脂と強塩基性イオン交換樹脂の混床方式を用いることができ、従来の混床塔又は２床段方式のイオン交換塔を省略することができる。また、薬品による再生処理が不要な電気再生型脱イオン手段を採用することも可能となる。
【００１９】
しかも、本発明では、前段の色素吸着手段において、色度成分を高度に除去すると共に蛋白質等の高分子物質も除去されるために、このような脱塩手段の負荷が軽減され、汚染も防止されるため、脱塩手段のメンテナンスの軽減、長寿命化が図れる。
【００２０】
本発明において、膜濾過手段は、有機膜を用いた第１膜濾過手段と、無機膜を用いた第２膜濾過手段と、無機膜を用いてダイアフィルトレーション濾過を行う第３膜濾過手段とを備えるものが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２２】
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の糖液の精製装置の実施の形態を示す系統図、図２は本発明に好適な膜濾過装置を示す系統図である。
【００２３】
図１に示す如く、本発明の糖液の精製装置は、酵素糖化工程からのデンプン糖化液等の糖液を膜濾過装置１で膜濾過した後、その透過液を色素吸着塔２で脱色し、更に強酸性イオン交換樹脂塔３及び弱塩基性イオン交換樹脂塔４よりなる脱塩手段（図１（ａ））又は電気再生型脱イオン装置５よりなる脱塩手段（図１（ｂ））又は強塩基性イオン交換樹脂と強酸性イオン交換樹脂の混床塔６よりなる脱塩手段（図１（ｃ））で脱塩処理するものである。
【００２４】
膜濾過装置１では、糖液中に含まれる不溶解性のデンプンや蛋白質などの懸濁物質を膜で除去し、透過液中にブドウ糖を回収する。
【００２５】
このような膜濾過装置１としては、図２に示す如く、有機膜を用いた第１膜濾過装置１２と、無機膜を用いた第２膜濾過装置１５と、無機膜を用いてダイアフィルトレーション濾過を行う第３膜濾過装置１７とからなるものが好ましい。
【００２６】
図２の膜濾過装置では、糖液は、第１循環槽１１を経てポンプＰ_１により第１膜濾過装置１２に送給され、クロスフロー濾過方式で膜濾過処理され、膜を透過したブドウ糖を含む透過液（第１透過液）は透過液貯槽１３に送給される。一方、不溶解性のデンプンや蛋白質などの懸濁物質等の不純物が濃縮された濃縮液は第１循環槽１１に戻され、循環処理される。この濃縮液（第１濃縮液）は次いで第２循環槽１４に送給され、ポンプＰ_２により第２膜濾過装置１５に送給され、クロスフロー濾過方式で膜濾過処理され、膜を透過したブドウ糖を含む透過液（第２透過液）は透過液貯槽１３に送給される。一方、不純物が濃縮された濃縮液は第２循環槽１４に戻され、循環処理される。この濃縮液（第２濃縮液）は次いで第３循環槽１６に送給され、加水配管１８からの洗浄液で希釈され、ポンプＰ_３により第３膜濾過装置１７に送給され、クロスフロー濾過方式でダイアフィルトレーション濾過が行われる。この第３膜濾過装置１７の膜を透過したブドウ糖を含む透過液（第３透過液）は透過液貯槽１３に送給される。一方、不純物が濃縮された濃縮液は第３循環槽１６に循環される。この第３循環槽１６内の濃縮液（第３濃縮液）は系外へ排出され、排水処理されるか、或いは適宜処理された後、肥料又は飼料として有効利用される。透過液貯槽１３内の透過液は、色素吸着塔２に送給される。
【００２７】
各膜濾過装置の分離膜としては、有機のスパイラル膜や中空糸膜、無機のセラミック膜や金属膜等を用いることができるが、本発明では、特に、第１膜濾過装置１２の分離膜として有機膜を用い、第２膜濾過装置１５及び第３膜濾過装置１７の分離膜として無機膜を用いるのが好ましい。
【００２８】
第１膜濾過装置１２の有機膜としては、分画分子量５万以上のＵＦ膜、孔径０．０１〜１０μｍのＭＦ膜で、中空系型、スパイラル型等のポリテトラフルオロエチレン膜、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）膜、ポリオレフィン膜、ポリスルホン膜等を用いることができ、この第１膜濾過装置１２では糖液を５〜２０倍に濃縮し、被処理糖液の８０％以上を透過液として回収するのが好ましい。
【００２９】
一方、第２膜濾過装置１５及び第３膜濾過装置１７の無機膜としては、特に下記のようなチューブラー型のステンレスチタン膜を用いるのが好ましく、第２膜濾過装置１５では、第１濃縮液を更に２〜１０倍に濃縮し、その７５％以上を透過液として回収し、第１膜濾過装置１２と第２膜濾過装置１５とで、糖液を２０〜５０倍に濃縮し、この第２濃縮液を第３膜濾過装置１７でダイアフィルトレーション濾過するのが好ましい。
［ステンレスチタン膜］
均一なステンレスパウダー（粒径３０〜４０μｍ、ＳＵＳ３１６Ｌ）を焼結させたステンレス支持体（肉厚０．８〜１．５ｍｍ、孔径１．０μｍ）の表面に、同じくチタンパウダー（粒径０．３〜０．５μｍ、ＴｉＯ_２）を焼結させたチタン活性層（膜厚０．８〜１．５ｍｍ、孔径１．０μｍ）を形成したＭＦ膜。
【００３０】
このように、第１の膜濾過装置１２の分離膜として有機膜を用い、第２及び第３の膜濾過装置１５，１７の分離膜として無機膜を用いることにより、装置の大型化、設備費の高騰を防止した上で糖液の高濃縮、ブドウ糖の高度回収を可能とすることができる。
【００３１】
即ち、有機膜は無機膜に比べて安価で装置が小型であるため経済的に有利であるが、化学的、機械的強度が無機膜に比べて劣り、過酷な条件での運転ができないことから濃縮率を上げることができず、１０〜２０倍濃縮程度が限度であるという短所がある。一方、無機膜は、有機膜に比べて化学的、機械的強度が高く、有機膜よりも運転条件を上げることができ、５０倍濃縮程度まで可能であるが、高価で装置が大型化するため、経済的に不利である。
【００３２】
本発明では、このような有機膜と無機膜の特性を生かし、第１膜濾過装置１２による低濃縮時に有機膜を使用し、第２，第３膜濾過装置１５，１７による高濃縮時に無機膜を使用することにより、装置の大型化、設備費の高騰を防止した上で糖液の高濃縮、ブドウ糖の高度回収を可能とすることができる。
【００３３】
なお、第１膜濾過装置１２、第２膜濾過装置１５及び第３膜濾過装置１７の分離膜の膜面積は、第１膜濾過装置１２の分離膜の膜面積＞第２膜濾過装置１５の分離膜の膜面積＞第３膜濾過装置１７の分離膜の膜面積となるように、後段の膜濾過装置ほど分離膜の膜面積を小さくすることが、濃縮によるデッドスペースを無くし、効率的な濃縮処理を行う上で有利である。
【００３４】
この膜面積比は、各膜濾過装置の倍率や運転条件によっても異なるが、第１膜濾過装置１２の分離膜の膜面積を１としたとき、第２膜濾過装置１５の分離膜の膜面積は０．０２〜０．２、第３膜濾過装置１７の分離膜の膜面積は０．００５〜０．１とするのが好ましい。
【００３５】
また、ブドウ糖の回収率を上げるためには、第３膜濾過装置１７におけるダイアフィルトレーション濾過で加水する洗浄液量が多い方が好ましいが、この加水量が過度に多いと後工程での濃縮又は排水処理の負荷が大きくなる上に、装置が大型化してしまい好ましくない。従って、このダイアフィルトレーション濾過における加水量は、処理する糖液量に対して、得られる全透過液量が１２０％以下（即ち、増加液量が２０％以下）、特に９０〜１１０％（増加液量−１０〜１０％）となるような加水量とするのが好ましい。なお、このダイアフィルトレーション濾過の洗浄液としては、通常脱イオン水、一般工業水（井水）、緩衝液が用いられる。この洗浄液の加水形態には特に制限はなく、連続加水、間欠加水、或いはバッチ毎の加水であっても良いが、濃縮液量を一定に保ちながら透過液量に見合った水量を徐々に加えてゆく方法が一般的である。
【００３６】
このような膜濾過装置であれば、被処理糖液から０．０５〜１％の懸濁物質を除去すると共に、色度成分をも除去し、被処理糖液中のブドウ糖の９８％以上を透過液中に回収することができる。
【００３７】
このような膜濾過装置１の透過液は、次いで色素吸着塔２で色度成分及び蛋白質等の高分子物質の除去を行う。
【００３８】
本発明においては、この色素吸着塔２の吸着剤として、繊維、好ましくはセルロース繊維に粉末活性炭と塩基性イオン交換樹脂、好ましくは強塩基性イオン交換樹脂を固定した吸着剤を用いる。
【００３９】
ここで、セルロース繊維としては、平均繊維径０．０１〜０．１ｍｍ、平均繊維長０．５〜５ｍｍ程度のものが好適に使用され、粉末活性炭としては、平均粒径０．００５〜０．２ｍｍ程度のものが、また、塩基性イオン交換樹脂としては、平均粒径０．０１〜０．５ｍｍ程度のものが好ましい。
【００４０】
セルロース繊維の繊維長が０．５ｍｍより小さいと液通過のための空隙が少なくなるため、目詰まりが起こりやすくなる。セルロース繊維の繊維長が５ｍｍより大きいとプレコート処理が困難になる。また、セルロース繊維の繊維径が０．０１ｍｍより小さいと強度を保ちづらく、プレコート時や通液時などに破砕し、目詰まりの原因になりやすい。セルロース繊維の繊維径が０．１ｍｍより大きいとプレコート処理が困難になる。
【００４１】
このような吸着剤は、カラムに充填し、この吸着層に前段の膜濾過装置１の透過液を通液して処理しても良く、また、リーフフィルター等にこの吸着剤をプレコートして吸着層を形成したものに膜濾過装置１の透過液を接触させるようにして処理を行っても良い。
【００４２】
このような吸着層への膜濾過装置１の透過液の通液条件は、０．０５〜０．５ｍ／ｈｒの範囲とするのが好ましい。
【００４３】
このような吸着処理により、膜濾過装置１の透過液中の色度成分を高度に除去して、製品の規格値以下にまで低減することができる。
【００４４】
この色素吸着塔２の処理液は、次いで、脱塩処理することにより、液化や糖化工程で酸の中和等により混入した塩を除去して、規定の導電率まで脱塩する。
【００４５】
この脱塩処理手段としては、図１（ａ）に示す強酸性イオン交換樹脂塔３と弱塩基性イオン交換樹脂塔４との組み合せか、或いは、図１（ｂ）に示す電気再生型脱イオン装置５を用いるのが好ましく、図１（ａ）に示す強酸性イオン交換樹脂塔３と弱塩基性イオン交換樹脂塔４との組み合せであれば、従来の混床塔を省略して、良好な精製液を得ることができる。
【００４６】
また、電気再生型脱イオン装置５によれば、薬品による再生を行うことなく、連続採水にて良好な精製液を得ることができる。
【００４７】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００４８】
実施例１
酵素糖化工程からの下記組成及び粘度のデンプン糖化液を５０００Ｌ／ｈｒの処理量で図１に示す装置で処理した。
［デンプン糖化液及び粘度］
ブドウ糖：３３％
脂肪酸：０．２％
タンパク質：０．１％
その他の不溶物：０．１％
粘度（６０℃）：１．０ｃｐ
【００４９】
各装置の仕様及び運転条件は次の通りとした。
（１）膜濾過装置１：図２に示す膜濾過装置
▲１▼ 第１膜濾過装置１２
使用膜：スパイラル型ＰＶＤＦ膜
膜面積：１０８ｍ^２
膜孔径：０．１μｍ
第１透過液量：４５００Ｌ／ｈｒ
第１循環槽への循環濃縮液量：２０００Ｌ／ｈｒ
第２循環槽への移送第１濃縮液量：５００Ｌ／ｈｒ
濃縮倍率：１０倍
▲２▼ 第２膜濾過装置１５
使用膜：チューブラー型ステンレスチタン膜
膜面積：５．３ｍ^２
膜孔径：０．１μｍ
第２透過液量：４５０Ｌ／ｈｒ
第２循環槽への循環濃縮液量：１０００Ｌ／ｈｒ
第３循環槽への移送第２濃縮液量：４５Ｌ／ｈｒ
濃縮倍率：５倍（合計５０倍）
▲３▼ 第３膜濾過装置１７
使用膜：チューブラー型ステンレスチタン膜
膜面積：２．７ｍ^２
膜孔径：０．１μｍ
第３透過液量：３００Ｌ／ｈｒ
第３循環槽への循環濃縮液量：５００Ｌ／ｈｒ
洗浄液（脱イオン水）加水量：３００Ｌ／ｈｒ
系外への排出第３濃縮液量：４５Ｌ／ｈｒ
（２）色素吸着塔２
平均繊維径０．０５ｍｍ、平均繊維長さ２．５ｍｍのセルロース繊維に、平均粒径０．０５ｍｍの粉末活性炭を４０重量％と、平均粒径０．２ｍｍの強塩基性イオン交換樹脂３５重量％とを固定した吸着剤１．７ｋｇを、直径４５０ｍｍのフィルターに厚さ２０ｍｍでプレコートしたものをカラムに充填したもの。
通液速度：０．２ｍ／ｈｒ
（３）強酸性イオン交換樹脂塔３
強酸性イオン交換樹脂５０Ｌを直径２００ｍｍ、長さ１５００ｍのカラムに充填したもの。
通液速度：５ｍ／ｈｒ
（４）弱塩基性イオン交換樹脂塔４
弱塩基性イオン交換樹脂５０Ｌを直径２００ｍｍ、長さ１５００ｍのカラムに充填したもの。
通液速度：５ｍ／ｈｒ
【００５０】
各装置の出口水の組成を調べ、結果を表１に示した。
【００５１】
比較例１
色素吸着塔として、粒径１５０μｍ以下の粉末活性炭３Ｌを直径４５０ｍｍのフィルターに２０ｍｍの厚さでプレコートしたものをカラムに充填したものを用い、通液速度０．２ｍ／ｈｒで処理したこと以外は実施例１と同様にして処理を行い、各装置の出口水の組成を調べ、結果を表１に示した。
【００５２】
【表１】

【００５３】
表１より、繊維に粉末活性炭と塩基性イオン交換樹脂を固定した吸着剤であれば、従来の活性炭に比べて色度成分を高度に除去することができ、また、蛋白質をも除去することができ、２段イオン交換処理のみで、良好な精製液を得ることができることがわかる。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の糖液の精製装置によれば、不純物を含有する糖液を膜濾過した後、脱色し、その後脱塩処理することにより精製するにあたり、脱塩手段の前段で色度成分やその他の不純物を高度に除去することができ、従って、その後段の脱塩手段の負荷を軽減して、脱塩手段の小型化ないし多様化、更には長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の糖液の精製装置の実施の形態を示す系統図である。
【図２】本発明に好適な膜濾過装置を示す系統図である。
【符号の説明】
１膜濾過装置
２色素吸着塔
３強酸性イオン交換樹脂塔
４弱塩基性イオン交換樹脂塔
５電気再生型脱イオン装置
６混床塔
１１第１循環槽
１２第１膜濾過装置
１３透過液貯槽
１４第２循環槽
１５第２膜濾過装置
１６第３循環槽
１７第３膜濾過装置
１８加水配管

Claims

不純物を含有する糖液を膜濾過する膜濾過手段と、
該膜濾過手段の透過液を脱色する色素吸着手段と、
該色素吸着手段の処理液を脱塩する脱塩手段とを備えてなる糖液の精製装置において、
前記色素吸着手段が、繊維に粉末活性炭と塩基性イオン交換樹脂を固定した吸着剤を用いた色素吸着手段であることを特徴とする糖液の精製装置。
請求項１において、前記膜濾過手段が、
有機膜を用いた第１膜濾過手段と、
無機膜を用いた第２膜濾過手段と、
無機膜を用いてダイアフィルトレーション濾過を行う第３膜濾過手段とを備えることを特徴とする糖液の精製装置。
請求項１又は２において、前記脱塩手段が、
強酸性イオン交換樹脂を用いたカチオン除去手段と、
弱塩基性イオン交換樹脂を用いたアニオン除去手段とを備え、この順で通液する手段であることを特徴とする糖液の精製装置。
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記繊維がセルロース繊維であることを特徴とする糖液の精製装置。
請求項４において、前記セルロース繊維が平均繊維径０．０１〜０．１ｍｍ、平均繊維長０．５〜５ｍｍのセルロース繊維であり、前記粉末活性炭が平均粒径０．００５〜０．２ｍｍの粉末活性炭であり、前記塩基性イオン交換樹脂が平均粒径０．０１〜０．５ｍｍの塩基性イオン交換樹脂であることを特徴とする糖液の精製装置。